霍拉斯生态闸工程地质与建设材料评价

刘锡安

(新疆泰达水利水电工程有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概 况

霍拉斯生态蓄滞洪区位于塔里木盆地北部塔里木河干流中游河段，尉犁县境内。南岸至塔克拉玛干沙漠边缘，向下游延伸约6 km至阿其克河口枢纽附近，地表基本是自然生态林地及草地，形成连绵不断的自然植被，以及沙包、冲沟、深坑、小型湖泊等。蓄滞洪区死水位为889.80 m，正常蓄水位为891.55 m，总库为997.2万m3，死库容为120.0万m3，调节库容为877.2万m3。区内存在的主要不良物理地质现象是河岸坍塌、风沙危害和土壤渍化。

2 地层岩性分析

蓄滞洪区范围内为胡杨林、芦苇、沙丘、沼泽地及局部地段的农田，为冲洪积平原区。地层岩性主要为粉土及粉细砂互层，局部夹有厚0.3～0.6 m左右的灰黄色的砂壤土、壤土。

第①层：粉土，层厚为0.6～3.5 m，土黄～灰色, 松散～稍密,摇震反应迅速、干强度低。天然密度平均值ρ为1.52～1.82 g/cm3,干密度ρd为1.48～1.69 g/cm3。天然含水量平均值w为22.3%。承载力标准值f为100 kPa。

第②层:粉细砂层,青灰色,松散～稍密～中密,饱和、抗剪强度低，黏聚力较弱。天然密度平均值ρ为1.38～1.77 g/cm3,干密度ρd为1.36～1.54 g/cm3。天然含水量平均值w为27.7%。承载力标准值f为80 kPa。此段地下水位地面以下0.4～1.0 m。

3 工程地质评价

3.1 闸坝的渗透稳定性

(1) 土体的渗透性。 地层的透水性，主要取决于地层的岩性及其连通程度，衡量地层的透水性指标为渗透系数。霍拉斯生态闸防洪堤的地层岩性以粉土和粉砂为主。粉土的渗透系数为(2.56～6.34)×10-4cm/s，平均为4.45×10-4cm/s；粉细砂的渗透系数为(3.31～8.10)×10-3cm/s，平均为5.71×10-3cm/s。整个生态闸堤防综合平均渗透系数为3.10×10-3cm/s，渗漏较严重。

(2) 渗透变形分析。勘察表明：0～12.0 m深范围内土的岩性为粉土和粉细砂为主，土的颗粒细而均一，除部分风积沙丘区土为粗粒砂性土外，区内大部分土为细粒土。根据土的颗分资料，粉细砂的不均匀系数Cu为2.22，曲率系数为1.34，为连续级配均匀土。根据《水利水电工程地质手册》细粒土不均匀系数<5[1]，因此，防洪堤渗透变形破坏的类型为流土性。

(3)临界水力比降和允许水力比降的确定。 根据《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2016)附录M[2]，对于流土性土，其临界水力坡降可采用太沙基公式(1)确定：

Jc r=(Gs-1)(1-n)

(1)

式中：Jc r为土的临界水力比降；Gs为土的比重，取2.65 g/cm3；n为土的空隙率，取44.2%。

经计算Jc r=0.92。 坝基允许水力比降为，式(2)：

J允=Jc r/m

(2)

式中：J允为坝基允许水力比降；m为安全系数，取2.0；将J允、m值代入(2)式中求得J允=0.46。

3.2 水的腐蚀性评价

水的腐蚀性包括地表水的腐蚀性和地下水的腐蚀性。根据化学分析结果，判定工程区河段地表水(塔河水)对混凝土结构有弱腐蚀；地下水对混凝土结构有中等腐蚀、对钢筋混凝土结构中钢筋具有弱腐蚀。见表1。

表1 地表水、地下水对混凝土结构的混凝土腐蚀性评价 mg·L-1

3.3 土的腐蚀性评价

表2 土对混凝土结构的混凝土腐蚀性评价 mg·kg-1

3.4 边坡稳定性分析

闸坝体的稳定性取决于该堤所处的地基土的岩性，其主要为粉细砂和细砂层，细砂层边坡基本稳定。地基土位于粉细砂层，边坡稳定性较差，在水动力作用下，会形成流砂，边坡有变形破坏的可能。根据现场和室内试验所得的成果，休止角为22°～28°, 建议边坡系数内坡不应陡于1∶2.75，外坡不应陡于1∶2.0。

3.5 土的冻胀性评价

尉犁县最大冻土深度0.80 m,为季节性冻土。经现场勘查和颗分试验可知：坝体土平均含水量大于19.5%，冻结期间地下水位低于冻深的最小距离一般小于1.5 m；粉砂平均含水量大于26.3%，其小于0.075的含量均大于10%。根据《工程地质手册》判定防洪堤土属冻胀土；冻胀类别为强冻胀。冻土冻结后发生膨胀，融化后强度迅速降低，对建筑物基础和边坡影响较大，需进行抗冻处理。

3.6 风蚀分析

塔里木河干流区多风沙、浮尘天气[4]。据统计，尉犁县附近每年大风(大于17.2 m/s，即8级以上的大风)天气达16 d。坝体土黏粒含量较低，黏结力小，其粒径适宜于风力搬运。

大风对生态闸坝体的破坏主要表现在两个方面：一是将堤身土搬运它处，使堤身断面变小、变窄，堤身变低。二是将坝体附近砂土颗粒搬运至堤顶，掩埋坝体，从而影响坝体的正常运用。因此，建议对堤顶进行砂砾石盖顶压砂处理；位于风积沙丘区的堤段进行防风固沙处理。

4 建筑材料分析

本工程所需的天然建筑材料主要为填筑料，混凝土用粗细骨料、垫层料、块石料。

4.1 土料场选择

塔里木盆地内大多数区域为沙漠，缺乏黏粒含量较高、防渗性能好、厚度大而稳定、分布广泛的土料。另一方面，所建堤不高、级别低，对土料的质量要求不高，应就近取土。本次土料场的勘察主要在距堤轴线200 m以外范围内的临河侧进行。地下水埋深一般在地面以下1.0～2.5 m开采条件较好。根据室内击实试验25击次，最优含水量16.3%，最大干密度1.70 g/cm3，黏粒含量5.9%，渗透系数2.04×10-4cm/s，除黏粒含量、塑性指数偏低，含水量稍偏大以外均满足规范要求，平均运距1.0 km。建议压实度控制在0.98。

4.2 混凝土用粗细骨料

根据实地勘察，对工程所需混凝土粗细骨料选择库尔勒市501厂天然砂砾石料场。试验结果表明：该料场砾石含量24.0%～48.6%，平均40.1%,砾石含量较少，且含量变化较大,其岩性主要为花岗岩、片麻岩、硅质岩、砂岩等。经检验，混合料除含泥量偏高，使用时需冲洗外，其余指标均符合质量要求。由于工程所需砂砾石料较少，料场储量可以满足设计要求。

粗骨料各粒径表观密度2.65～2.67 g/cm3>2.6 g/cm3；各粒径堆积密度1.49～1.57 g/cm3，紧密堆积密度为1.65～1.72 g/cm3>1.6 g/cm3；吸水率最大为1.33%<1.5%；针片状含量<15%；软弱颗粒含量>5%；20～40 mm粒径含泥量为1%；有机质含量合格；冻融温度为(-24±2)～(20±3) ℃，粒径10～20 mm、40～80 mm的冻融损失率较高(>10%)。

由此可见，本料场混凝土粗骨料除软弱颗粒含量、部分粒径组分含泥量和冻融损失率不符合规程规范中要求外，其余指标均符合质量要求。作为混凝土骨料使用时应采取分选、冲洗、抗冻等措施。

4.3 混凝土细骨料质量评价

混凝土细骨料的试验成果：其表观密度2.66 g/cm3>2.55 g/cm3；堆积密度1.52 g/cm3>1.50 g/cm3；云母含量<0.1%；含泥量为2.1%<3%，无黏土块存在；硫酸盐及硫化物含量合格；有机质含量合格；轻物质含量为0<1%；细度模数为2.25，为细砂，平均粒径0.32 mm。除粒径偏细外，其余指标均符合混凝土细骨料的质量要求。

4.4 坝顶硬化料及垫层料

根据实地勘探，坝顶硬化砂砾石料及所需砂砾石垫层料可从库尔勒老步块石料场拉运。距工程区平均为120 km。库尔勒老步块石料场位于库尔勒市北山路北段、天山东南麓霍拉山脚下开采地层为下元古界上统白云质大理岩，其质地纯净，岩石坚硬，抗风化能力强。根据室内岩块试验，其平均天然密度2.72 g/m3，平均干密度2.71 g/m3，平均饱和抗压强度48.6 MPa，平均软化系数0.81，平均吸水率0.13%，水溶性硫化物含量合格。该料场质量满足规范和设计要求。储量满足设计要求。

5 结 论

(1)生态闸地层岩性以土黄～土灰色粉土，粉砂为主，为不连续分布。防洪堤边坡稳定性较差，在水动力作用下，会形成流砂，边坡有变形破坏的可能，渗透变形类型均为流土型。

(2)工程区沿线渗漏问题严重，属中等透水性，建议采取相应处理措施。

(3)工程区土均属冻胀土，因此必须采取抗冻胀措施。

(4)根据土质、水质的化学分析，土对混凝土有中等腐蚀，对钢筋混凝土结构中钢筋有弱腐蚀；地下水对混凝土有中等腐蚀、钢筋混凝土结构中钢筋有弱腐蚀性，建议采取普通硅酸盐水泥即可。

(5)经过对天然建筑料场进行调查，建议填筑土料在堤线临河侧200 m以外范围内就近选取，开挖深度以1.0～2.0 m为宜。

(6)经调查，工程所需混凝土用粗细骨料，建议可由库尔勒市501厂天然砂砾石料场购买，距工程区平均为110 km；堤顶硬化料及砂砾石垫层料可从库尔勒老步块采石场购买，距工程区平均为120 km。